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Dissertation: Susen Werner


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Dissertation: Susen Werner

Dissertation / Doktorarbeit / Thesis

German Sport University Cologne
Institute of Physiology and Anatomy
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Werner, Susen (2010): Behavioral characteristics and neural localization~\\ of sensorimotor adaptation

Zusammenfassung:
Die sensomotorische Adaptation ist eine spezielle Form des motorischen Lernens, die immer dann auftritt, wenn veränderte Umweltbedingungen die Anpassung eines bereits bestehenden motorischen Verhaltens erfordern. Sie spielt sowohl bei Alltagshandlungen als auch im Bereich des Sports eine wichtige Rolle. Die vorliegende Arbeit befasste sich mit Verhaltensmerkmalen der Adaptation und ihrer neuronalen Lokalisation.
Ein Experiment konnte erstmals einen positiven Effekt von explizitem Wissen auf die sensomotorische Adaptation belegen. Aus diesem Ergebnis folgt die Annahme, dass eine Beteiligung des dorsolateralen präfrontalen Kortex zu einer verbesserten Adaptation führen kann. In einem weiteren Experiment wurde die Adaptation an unterschiedliche Veränderungen des visuellen Feedbacks untersucht. Da für verschiedene Adaptationen die gleichen kontinuierlichen und diskreten Prozesse gezeigt werden konnten, liegen ihnen möglicherweise ähnliche neuronale Netzwerke zugrunde. Diese Arbeit zeigte zudem, dass die Adaptation bei bestimmten Veränderungen des visuellen Feedbacks richtungsabhängig erfolgt. Dieses Resultat deutet auf die Beteiligung des motorischen oder des parietalen Kortex hin, da beide Hirnareale Neuronen aufweisen, die in ähnlicher Weise richtungsabhängig kodiert sind.
Außerdem untersuchte diese Arbeit die Rolle des Kleinhirns in der sensomotorischen Adaptation. Zwei Experimente ergaben, dass Patienten mit degenerativen Erkrankung des Kleinhirns und Patienten mit Läsionen im Gebiet der oberen Kleinhirnschlagader sowohl eine Verminderung der Adaptation als auch eine Beeinträchtigung der motorischen Durchführung zeigen. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass entweder die motorische Durchführung im Kleinhirn lokalisiert und eine Voraussetzung für die Adaptation ist, die an einer anderen Stelle im zentralen Nervensystem stattfindet. Oder es ist möglich, dass sowohl die motorische Durchführung als auch die sensomotorische Adaptation im Kleinhirn lokalisiert sind.

Summary:
The present thesis investigates behavioral characteristics of sensorimotor adaptation and its neural localization. This special form of motor learning occurs whenever an altered environment requires the adjustment of already existing motor behavior. Sensorimotor adaptation does not only play a dominant role in everyday life, but it is also an intrinsic element in the field of sports. For instance, tennis players have to adjust their movements to rackets, balls or field conditions. In the following, the main results of the individual studies of this thesis as well as their implications are summarized.
To this day, it is not entirely clear whether explicit knowledge has a beneficial or a detrimental effect on sensorimotor adaptation. This thesis therefore tries to determine the role of explicit knowledge in sensorimotor adaptation, and is the first to reveal a positive effect of explicit knowledge on adaptation. In particular, our results lead to the assumption that the positive effect is related to strategic control. Furthermore, they suggest that an involvement of the dorsolateral prefrontal cortex leads to improved sensorimotor adaptation.
Furthermore, the present thesis scrutinizes whether adaptation to different alterations of feedback is based on common principles. It compares the adaptive processes caused by a rotation and a reversal of visual feedback, and it shows for the first time that adaptation to reversed vision is based on the same continuous and discrete processes as adaptation to visual rotations. According to this finding, similar neuronal networks for both adaptive processes can be assumed.
The thesis also investigates whether adaptation to a change of visual feedback is a directionally local or a global phenomenon. We show that variable practice in all directions does not lead to an improved adaptation to a visual rotation, which is thought to be achieved by directionally tuned modules. Accordingly, variable practice does presumably not induce a greater generalization or a global adaptation process, respectively. Also, we show direction-specific adaptive processes during adaptation to reversed vision. Moreover, transfer to unpracticed targets could well be predicted by the superposition of neighboring adapted modules. These results lead to
the conclusion that adaptation to reversed visual feedback is based on a local process. This finding is associated with the involvement of Gaussian tuned neural units in sensorimotor adaptation.
Finally, this thesis scrutinizes the contribution of the cerebellum to sensorimotor adaptation by investigating adaptation processes and motor performance in two cerebellar patient groups. In particular, we investigate whether different parts of the cerebellum play different roles during adaptation. The results suggest that adaptive recalibration is impaired in patients with cerebellar cortical degeneration as well as in patients with lesions within the territory of the superior cerebellar artery. The findings further indicate an intact recalibration but degraded strategic control in patients with lesions within the territory of the posterior inferior cerebellar artery. A partitioning-of-variances analysis supports the suggestion that (superior) cerebellar regions are exclusively involved in motor performance or are involved in both motor performance and adaptation.


11.12.2017 - 03:18